CN113405833A - 多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟实验装置及应用 - Google Patents

多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟实验装置及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟实验装置及应用，包括模拟仓、喷淋组件、转轮式取样组件、驱动轴，其中模拟仓中填充有土壤，模拟仓的正面阵列式设有多个能够开启的透明视窗；转轮式取样组件，转轮式取样组件与每个所述透明视窗匹配；驱动轴在水平方向上连接转轮式取样组件，以此构成多个水平取样组，特定垂向高度的驱动轴能够同时带动对应高度的多个转轮式取样组件刮取并转动式递送土壤样品至透明视窗处，与便携式XRF检测仪配合联用。与现有技术相比，本发明能够适用于多点、快速显示，无需从装置内取出样品的测定方法，用于研究土壤中重金属污染物沉降实时分布的模拟试验，设计简单、操作便捷并且可靠性高。

Description

多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟实验装置及应用
技术领域
本发明涉及金属污染物迁移模拟实验领域，尤其是涉及一种具备快速多点实时监测能力的土壤中重金属污染物迁移模拟实验装置。
背景技术
近年来我国土壤面临着重金属污染重大的威胁，尤其是一些工业发达地区更为严重。我国的耕地受重金属污染的程度也非常严重，受镉、铬、铅等重金属污染的耕地面积大约占耕地总面积的五分之一。除农业用地外，还有大量从事过有色金属冶炼、石油加工、化工、焦化、电镀、制革等行业生产经营活动，以及从事过危险物贮存、利用、处置活动的工业用地，存在着重大的环境安全隐患。
目前对于模拟土壤重金属污染物迁移的实验装置日趋成熟，对重金属离子的测定方法种类繁多，目前最为简单便携的方式便是使用X-射线探测系统(XRF)。将迁移模拟装置与便携式XRF检测仪联用能够对土壤样品的时效性、实验数据的可靠性有非常大的提升。目前的模拟装置虽然在仿真性方面较为完善，但是对样品后续的采集以及检测设备的联用方面较为薄弱，兼容性较差。针对这个问题，本专利旨在设计一种具备快速、同时、多位点取样系统的土壤重金属污染物迁移模拟装置，以确保土壤样品测试过程中既要简单、便携，又要让样品具备时效性，提高模拟实验的准确度。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟实验装置及应用，具备快速、同时、多位点采样能力又保证模拟结果可靠性的取样系统，适用于对污染物迁移规律的模拟与总结。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的第一个目的是保护一种多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟实验装置，包括模拟仓、喷淋组件、转轮式取样组件、驱动轴，其中具体地：
模拟仓，所述模拟仓为可拆卸结构，模拟仓中填充有土壤，模拟仓的正面阵列式设有多个能够开启的透明视窗；
喷淋组件，设于模拟仓顶部，能够将含有土壤重金属污染物的液体喷淋至土壤中，使得重金属污染物在土壤中进行迁移扩散；
转轮式取样组件，所述转轮式取样组件与每个所述透明视窗匹配，转轮式取样组件上设有多个土壤刮板；
驱动轴，所述驱动轴在水平方向上连接转轮式取样组件，以此构成多个水平取样组，特定垂向高度的驱动轴能够同时带动对应高度的多个转轮式取样组件刮取并转动式递送土壤样品至透明视窗处，与便携式XRF检测仪配合联用，实现土壤取样的检测。
进一步地，所述转轮式取样组件包括相互传动连接的驱动轮和定位轮，所述驱动轮和定位轮通过履带传动连接。
进一步地，所述土壤刮板立设于所述履带上。
进一步地，所述土壤刮板在履带上的正投影与履带的宽度方向呈5～45°。
进一步地，所述驱动轴依次连接同一水平高度上的驱动轮的中心，所述驱动轴的一端贯穿所述模拟仓，并在此端匹配连接有旋转手轮。
进一步地，所述定位轮的直径大于所述驱动轮，同时使得所述定位轮靠近所述透明视窗，而驱动轮远离所述透明视窗。
进一步地，所述定位轮的直径为所述驱动轮直径的1.2～1.8倍，可实现较优的速度控制。
进一步地，同一转轮式取样组件中驱动轮、定位轮的中心均处于同一水平面中。
进一步地，所述模拟仓底部的一侧设有升降手轮，通过升降手轮能够调整模拟仓的单侧高度，以此实现模拟仓的倾斜程度的调整，以此实现重金属污染物在土壤中迁移扩散场景的调整；
所述模拟仓底部设有排水口和排土口；
所述模拟仓顶部设有多个分段上盖，实现模拟仓顶部的盖合；
所述模拟仓的左右两侧为透明的可拆卸隔板，所述前后隔板上印设有计量网格。
本发明的第二个目的是保护一种上述装置在多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟中的应用，包括以下步骤：
(a)模拟仓平放于水平面，将模拟仓前隔板拆下，并装填土壤样品，根据前后隔板上的方格估算预装填不同材质土壤的大致配比及分布情况，装填完毕后盖上前隔板；
(b)转动模拟仓底部的升降手轮，达到预设角度后停止操作；
(c)打开喷淋控制阀，利用喷淋组件将预设的染毒试剂或土壤淋洗液喷入土壤中；
(d)土壤迁移模拟实验完毕后，打开透明视窗，使用手柄转动驱动轮，此时履带会将待测位点的土壤传送至对应的透明视窗处，将视窗开启，直接收集并利用XRF法快速测定土壤对应位点的重金属含量；
(e)关闭透明视窗，结束取样和测试过程。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
1)本技术方案中采用的土壤移动机构在每次测定前将模拟装置中的土壤水平移动到窗口，减轻装置壁效应的影响。
2)本技术方案中每组水平面上的履带驱动轮共用一个轴程，在采集样品时只需要转动手柄便可以同时采集一个轴上对应的所有样品孔的土壤，确保采集样品的同时性。
3)本技术方案中履带上的取样板设计成倾斜固定的角度，利于土壤样品的流动，防止样品残留在取样板与履带的交界处，确保采集到的是新鲜样品，进一步达到时效性。
4)本技术方案中驱动轮半径小于定位轮半径，能使得样品送至透明视窗的线速度较小，利于采集样品量的控制。
5)能够确保土壤样品测试过程中既要简单、便携，又要让样品具备时效性，提高模拟实验的准确度。
6)本技术方案中装置结构简单，可以批量生产，操作快速灵活，有利于推广。
附图说明
图1为本技术方案中多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟实验装置的结构示意图。
图2为本技术方案中转轮式取样组件的正面结构示意图；
图3为本技术方案中转轮式取样组件的俯视结构示意图。
图中，1-驱动轮、2-定位轮、3-透明视窗、4-土壤刮板、5-履带、6-驱动轴、7-旋转手轮、8-控制阀、9-喷淋组件、10-分段上盖、11-升降手轮、12-排土口、13-排水口、14-转轴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本实施例中多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟实验装置，包括模拟仓、喷淋组件3、转轮式取样组件、驱动轴6，参见图1。
模拟仓为可拆卸结构，模拟仓中填充有土壤，模拟仓的前后隔板上阵列式设有多个能够开启的透明视窗3，构成的阵列透明视窗3匹配有取样小孔矩阵，透明视窗3实现小孔的盖合，以此实现阵列式的多点取样结构，确保取样位置的代表性和普遍性。具体实施时，土壤快速多点监测系统的取样孔与透明视窗匹配，在转动手柄时，可以选择性打开视窗来进行快速同时取样测定。模拟仓底部的一侧设有升降手轮11，通过升降手轮11能够调整模拟仓的单侧高度，以此实现模拟仓的倾斜程度的调整，以此实现重金属污染物在土壤中迁移扩散场景的调整，模拟仓底部设有排水口13和排土口12，模拟仓顶部设有多个分段上盖10，实现模拟仓顶部的盖合。
模拟仓的左右两侧为透明的可拆卸隔板，前后隔板上印设有计量网格。具体实施时，土壤隔板上取样孔的外径为2-3cm，土壤隔板网格单位面积为1dm2。迁移模拟仓设计为横截面较窄的长方体，仅考虑土壤的二维迁移过程。模拟仓底部附带升降手轮以及转轴，能够通过改变倾角控制喷淋液体的沉降速率，同时利于喷淋液体的收集处理。同时隔板可拆卸，方便土壤的装填及转移，更有利于非均质土壤的排布与设计。土壤隔板采用透明材质制成，隔板上印有单位面积相同的网格，利于土壤方量的估算。
具体选材时，迁移模拟仓以及透明视窗可选用亚克力材质，材质密度较轻但强度能够确保装置易于拆卸。驱动轮与定位轮以及驱动轴均可选用不锈钢材质。履带可以使用耐久度较高的橡胶材料。转轮与手柄可选用耐腐蚀耐久度较高的聚四氟乙烯材料。
喷淋组件3设于模拟仓顶部，能够将含有土壤重金属污染物的液体喷淋至土壤中，使得重金属污染物在土壤中进行迁移扩散，喷淋组件3与外设的预配置好的污染物的液体连接，其间连接有控制阀8，控制阀8为电磁阀，喷淋组件3包括分配腔和设于分配腔上的多个喷淋头。
驱动轴6在水平方向上连接转轮式取样组件，以此构成多个水平取样组，特定垂向高度的驱动轴6能够同时带动对应高度的多个转轮式取样组件刮取并转动式递送土壤样品至透明视窗3处，与便携式XRF检测仪配合联用，实现土壤取样的检测。
转轮式取样组件与每个所述透明视窗3匹配，转轮式取样组件上设有多个土壤刮板4。转轮式取样组件包括相互传动连接的驱动轮1和定位轮2，参见图2和图3，驱动轮1和定位轮2通过履带5传动连接。土壤刮板4立设于所述履带5上。土壤刮板4在履带5上的正投影与履带5的宽度方向呈5～45°，即履带上应附有阵列较为密集的斜向刮板，斜向刮板可以防止土壤残留于刮板与履带的交界面，影响取样代表性。驱动轴6依次连接同一水平高度上的驱动轮1的中心，所述驱动轴6的一端贯穿所述模拟仓，并在此端匹配连接有旋转手轮7。定位轮2的直径大于所述定位轮2，同时使得所述定位轮2靠近所述透明视窗3，而驱动轮1远离所述透明视窗3。具体选型时，定位轮2的直径为所述定位轮2直径的1.2～1.8倍。同一转轮式取样组件中驱动轮1、定位轮2的中心均处于同一水平面中。
上述装置在多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟中的应用，包括以下步骤：
a)模拟仓平放于水平面，将模拟仓前隔板拆下，并装填土壤样品，根据前后隔板上的方格估算预装填不同材质土壤的大致配比及分布情况，装填完毕后盖上前隔板；
b)转动模拟仓底部的升降手轮，达到预设角度后停止操作；
c)打开喷淋控制阀，利用喷淋组件将预设的染毒试剂或土壤淋洗液喷入土壤中；
d)土壤迁移模拟实验完毕后，打开透明视窗，使用手柄转动驱动轮，此时履带会将待测位点的土壤传送至对应的透明视窗处，将视窗开启，直接收集并利用XRF法快速测定土壤对应位点的重金属含量；
e)关闭透明视窗，结束取样和测试过程。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟实验装置，其特征在于，包括：
模拟仓，所述模拟仓为可拆卸结构，模拟仓中填充有土壤，模拟仓的正面阵列式设有多个能够开启的透明视窗(3)；
喷淋组件(3)，设于模拟仓顶部，能够将含有土壤重金属污染物的液体喷淋至土壤中，使得重金属污染物在土壤中进行迁移扩散；
转轮式取样组件，所述转轮式取样组件与每个所述透明视窗(3)匹配，转轮式取样组件上设有多个土壤刮板(4)；
驱动轴(6)，所述驱动轴(6)在水平方向上连接转轮式取样组件，以此构成多个水平取样组，特定垂向高度的驱动轴(6)能够同时带动对应高度的多个转轮式取样组件刮取并转动式递送土壤样品至透明视窗(3)处，与便携式XRF检测仪配合联用，实现土壤取样的检测。
2.根据权利要求1所述的一种多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟实验装置，其特征在于，所述转轮式取样组件包括相互传动连接的驱动轮(1)和定位轮(2)，所述驱动轮(1)和定位轮(2)通过履带(5)传动连接。
3.根据权利要求2所述的一种多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟实验装置，其特征在于，所述土壤刮板(4)立设于所述履带(5)上。
4.根据权利要求3所述的一种多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟实验装置，其特征在于，所述土壤刮板(4)在履带(5)上的正投影与履带(5)的宽度方向呈5～45°。
5.根据权利要求2所述的一种多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟实验装置，其特征在于，所述驱动轴(6)依次连接同一水平高度上的驱动轮(1)的中心，所述驱动轴(6)的一端贯穿所述模拟仓，并在此端匹配连接有旋转手轮(7)。
6.根据权利要求2所述的一种多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟实验装置，其特征在于，所述定位轮(2)的直径大于所述驱动轮(1)，同时使得所述定位轮(2)靠近所述透明视窗(3)，而驱动轮(1)远离所述透明视窗(3)。
7.根据权利要求2所述的一种多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟实验装置，其特征在于，所述定位轮(2)的直径为所述驱动轮(1)直径的1.2～1.8倍。
8.根据权利要求2所述的一种多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟实验装置，其特征在于，同一转轮式取样组件中驱动轮(1)、定位轮(2)的中心均处于同一水平面中。
9.根据权利要求2所述的一种多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟实验装置，其特征在于，所述模拟仓底部的一侧设有升降手轮(11)，通过升降手轮(11)能够调整模拟仓的单侧高度，以此实现模拟仓的倾斜程度的调整，以此实现重金属污染物在土壤中迁移扩散场景的调整；
所述模拟仓底部设有排水口(13)和排土口(12)；
所述模拟仓顶部设有多个分段上盖(10)，实现模拟仓顶部的盖合；
所述模拟仓的左右两侧为透明的隔板，可自由固定拆卸，并在前后隔板上印设有计量网格。
10.一种权利要求1至9中任意一项所述装置在多点监测的土壤重金属污染物迁移模拟中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
(a)模拟仓平放于水平面，将模拟仓前隔板拆下，并装填土壤样品，根据前后隔板上的方格估算预装填不同材质土壤的大致配比及分布情况，装填完毕后盖上前隔板；
(b)转动模拟仓底部的升降手轮，达到预设角度后停止操作；
(c)打开喷淋控制阀，利用喷淋组件将预设的染毒试剂或土壤淋洗液喷入土壤中；
(d)土壤迁移模拟实验完毕后，打开透明视窗，使用手柄转动驱动轮，此时履带会将待测位点的土壤传送至对应的透明视窗处，将视窗开启，直接收集并利用XRF法快速测定土壤对应位点的重金属含量；
(e)关闭透明视窗，结束取样和测试过程。
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